低共熔溶剂提取多糖的研究进展

蔡树芸，陈雅鑫，何袅袅，施丽君，张怡评*

1.福建中医药大学药学院（福州 350108）；2.自然资源部第三海洋研究所，海洋生物资源开发利用工程技术创新中心（厦门 361005）

多糖一般是从自然植物、动物或者微生物中获取的天然代谢产物。多糖可以被当作原料或添加剂，已在食品、保健品、药品、化妆品等领域广泛应用。传统提取多糖的方法，大多是以水为溶剂，存在提取时间长、活性组分易损失、提取效率较低、消耗的溶剂量大等缺点。因此，寻找能够提高得率及提取效率的新型绿色溶剂成为倍受关注的问题。

在秉持着安全环保的概念下，越来越多的绿色提取溶剂出现，早在2003年就有研究者发现在一定条件下将氯化胆碱和尿素混合，其可以通过氢键缔合作用形成一种透明的液体，并称其为低共熔溶剂（Deep eutectic solvent，DES），该溶剂具有高效性、可降解、无污染性等特点[1]，可以溶解多种物质，包括多糖、生物碱[2]、黄酮类[3]等，从而受到很多研究者的关注，将其应用在中药有效成分的提取中。文章简单地对低共熔溶剂的性质、分类和多糖的作用以及在提取多糖等方面的应用进行介绍。

1 低共熔溶剂的性质

1.1 熔点

在大多数情况下，当氢键供体（hydrogen bond donator，HBD）和氢键受体（hydrogen bond acceptor，HBA）混合时形成的混合物的熔点要低于其组成的任一成分。其熔点一般在150 ℃以下，大多数在室温到70 ℃的范围内，且形成的液体状态稳定[4]。低共熔这一性质主要与氢键之间的缔合作用有关，且作用越强，混合物熔点就越低[5]。低共熔溶剂的熔点还会受到组成成分的种类[6]、氢键结构以及组分摩尔比等因素影响[7]。

1.2 导电性

在电化学应用中，溶剂的电导率对其具有重要作用。低共熔溶剂与离子液体相似，同样具有较高的电导率。其导电性是由于阴阳离子之间的移动传输电荷，或是体系内氢键的电子移动传输电荷。DES的电导率还会受到温度的影响，当温度升高时，电子的传输效率就会越快，使电导率升高[8]。

1.3 黏度

低共熔溶剂的黏度主要是由范德华力和氢键决定[9]，溶剂黏度对化学成分的提取效率会产生一定影响，通常在室温下DES的黏度较大，可能是因为离子间产生范德华力或静电作用，或者是溶剂中离子体积较大和空穴体积较小的原因，导致低共熔溶剂的黏度变大。有研究结果发现温度对DES的黏度也有影响，随着温度的升高其黏度变小，因此，可以通过加热来改变溶剂的黏度。

1.4 溶解性

低共熔溶剂的溶解能力和范围广泛，可以溶解多种生物大分子、金属化合物等。唐兰芳等[10]研究含水量为30%、氯化胆碱与尿素摩尔比1∶2的DESs提取黄精多糖，结果表明提取率高达28.50%，是传统热水提取的3.40倍。Abbott等[11]采用氯化胆碱与尿素的摩尔比为1∶2对金属氧化物在DES中的溶解性进行研究，发现在DES中CuO、ZnO、PbO2的溶解度更大。

1.5 含水量

两种低共熔组分之间存在强烈的氢键相互作用，适当的含水量能够降低溶剂的黏度，从而增加其对提取物的溶解度，且可以使有些低共熔溶剂的电导率增加。但在含水量到达50%（V/V）时氢键之间的相互作用逐渐减弱，因此在提取化学成分时应当考虑低共熔溶剂的含水量的影响[12]。

2 低共熔溶剂的分类

低共熔溶剂大致可以分为四类[13]，分别是季铵盐与氢键供体、季铵盐与金属盐、季铵盐与含水金属盐、金属卤化物与氢键供体。

由季铵盐和氢键供体组成的低共熔溶剂最为常用，其原理一般是季铵盐中阴离子与氢键供体之间的氢键相互作用，而产生的熔点降低。氢键供体的种类主要包括多元醇、羧酸和酰胺类物质。季铵盐与金属盐以及季铵盐与含水金属盐这两类溶剂的形成主要是由于金属盐的阴离子X-与配位体Y通过共价键形成了电荷离域，导致熔点降低。金属卤化物与氢键供体形成的低共熔溶剂的反应原理是金属卤化物在氢键供体经过不对称分裂形成金属阳离子和金属阴离子，通过配位原子与阳离子产生络合，使电荷密度降低，从而达到共熔。有研究结果表明ZnCl2与尿素、乙二醇和1,6-己二醇可以形成低共熔混合物[14]。

3 多糖的作用

3.1 免疫调节

有大量研究表明，多糖对免疫系统有调节作用[15]。舒翔等[16]将苦丁茶冬青多糖作用于体外培养的小鼠脾脏淋巴细胞，以TNF-α、IFN-γ和IL-1β分泌水平及脾脏淋巴细胞体外增殖能力为主要指标，测定不同浓度的苦丁茶冬青多糖对正常小鼠脾脏淋巴细胞的免疫调节作用，其研究结果表明苦丁茶冬青多糖确实可以促进诱导炎性细胞因子分泌和小鼠脾脏淋巴细胞增殖等作用促进免疫调节。田阳等[17]表明了枸杞子多糖进入体内循环的机制，可以促进巨噬细胞、淋巴细胞、树突状细胞、T细胞和B细胞等免疫细胞增殖，还可以增强巨噬细胞的吞噬能力，从而发挥免疫调节的作用。还有研究者发现裙带菜多糖能够显著促进RAW264.7细胞增殖能力和胞饮能力，对TNF-α、IL-6和IL-1β等炎症因子的mRNA表达有显著影响[18]。

3.2 抗氧化

过氧化氢和羟基自由基等活性氧会对细胞和组织造成损伤，导致衰老或者疾病的发生，因此抗氧化是研究的一大热点。Lou等[19]从马尾藻中分离纯化出一种新型的多糖STSP-I，通过试验发现与维生素C相比，该多糖清除自由基的作用更强。Fang等[20]用酶将龙须菜多糖降解为低分子量多糖，并对它们的抗氧化能力进行研究，结果发现降解后的多糖的抗氧化活性有显着提高。王猛等[21]采用H2O2对秀丽隐杆线虫建立急性氧化应激动物模型，以线虫寿命、年龄色素及氧化应激等为试验指标，研究褐藻多糖的抗氧化作用，其研究结果表明，褐藻多糖可以调控相关基因的表达，抑制氧化应激水平，从而发挥对线虫氧化损伤的保护作用。

3.3 降血糖

大部分中药多糖具有降血糖功效，因此在临床上常与治疗糖尿病的药物联合使用。Luo等[22]研究葛根多糖对糖尿病db/db小鼠的作用机制，结果表明葛根多糖可以激活PI3K/AKT 信号通路，改善葡萄糖代谢，从而发挥治疗糖尿病作用。Zhong等[23]采用微波辅助提取裙带菜多糖，制备了三份硫酸化多糖，通过体外试验发现可以提高胰岛素抵抗HepG2细胞的葡萄糖摄取。通过体内研究试验发现这些多糖可以增加葡萄糖耐量、降低空腹血糖水平并且还减轻胰岛素抵抗。

3.4 降尿酸

高尿酸血症是一种代谢性疾病，血液中的尿酸含量过高会形成尿酸结晶沉积在关节内，导致痛风的发生。黄嘌呤氧化酶XOD是肝脏中嘌呤代谢的关键酶，可以将嘌呤催化为尿酸，可以通过降低XOD的活性从而达到降尿酸的作用。枸杞多糖可以抑制肝脏黄嘌呤氧化酶和促进肾脏尿酸排泄，预防小鼠的高尿酸血症[24]。焉翠蔚等[25]通过体外试验证实了海带多糖可以抑制黄嘌呤氧化酶，从而减少尿酸的生成。

4 低共熔溶剂在提取多糖的应用

低共熔溶剂是一种绿色的新型萃取溶剂，是由不同的氢键受体和氢键供体组成。因其安全性高、可生物降解且成本低等优点，被应用在生物碱、多糖、黄酮类和酚酸等多种有效成分的提取上[26]。文章主要对低共熔溶剂提取多糖的应用进行阐述。

提取方法对天然药物中多糖的提取率和生物活性有较大的影响[27]。因此，不断优化多糖的提取工艺对多糖未来的研究和开发利用具有重要意义。常见的多糖提取方法有热水提取、超声波辅助提取、超高压提取、超临界萃取和酶辅助提取等[28]，但不同的提取方法都会对提取的多糖的含量有不同的影响，且有些方法还存在成本高、操作难度大、提取效率低等缺点。近期有数据表明低共熔溶剂从植物中提取多糖比传统提取溶剂具有更高的提取率，具有良好潜力[29]。梁静[30]设计了19种低共熔溶剂对铁皮石斛多糖进行提取并对其生物活性进行评价，以水提为对照组，发现低共熔溶剂对多糖的提取率要高于水提，且可应用于大规模提取。刘旭等[31]研究在不同条件下采用低共熔溶剂对鸡头黄精进行提取，得到的黄精多糖提取率相较于传统的水提醇沉法更高。其中在70 ℃提取条件下的黄精多糖提取率较其他试验条件更高。Guo等[32]比较了不同提取方法对甜茶多糖的提取率，结果发现热水加压和低共熔溶剂辅助提取的粗多糖获得率相对于其他提取方法高。还有学者表明低共熔溶剂在多糖溶解和提取过程中发挥显著作用，并且阐述了溶剂和多糖之间的相互作用机制，为低共熔溶剂提取多糖提供参考[33]。Nie等[34]研究氯化胆碱∶1,2-丙二醇组成的DES对可食用铜藻中的多糖超声辅助提取的方法，得到最佳萃取条件：氯化胆碱与1,2-丙二醇的摩尔比为1∶2、含水量为30%（V/V）、固液比为1∶30 g/mL、萃取温度为70 ℃。且研究还发现与传统的热水提取方法相比，使用DES提取的粗多糖中的蛋白质含量更少，表明DES提取的多糖纯度更高。熊苏慧等[35]对低共熔溶剂提取千斤拔多糖的工艺进行优化，筛选出氯化胆碱和1,3-丁二醇合成的DES对千斤拔多糖的提取最合适，采用响应面法测定多糖的提取率，与水提醇沉法相比，DES的多糖提取率更高，可达2.47%。

5 低共熔溶剂提取多糖的机理

低共熔溶剂大致可以分为三类萃取分离的方式[36]：第一类是低共熔溶剂直接对化学成分萃取分离；第二类是形成低共熔溶剂的缔合萃取分离；第三类是低共熔溶剂的分解达到萃取。天然有效成分大多都是第一类萃取方式[37]，就是先将HBA和HBD混合形成低共熔萃取剂，然后将目标物通过液液萃取的方式提取出来。Zhang等[38]用氯化胆碱和1,4-丁二醇组成的低共熔溶剂直接用于提取山药多糖，采用响应面法优化条件，得出含水量32.89%（V/V）、温度94 ℃、提取时间44.74 min最佳，且比热水提取和超声辅助水提的提取率更高。

6 影响低共熔溶剂提取的主要因素

6.1 提取温度

不同的温度对多糖的得率会产生影响，往往会采用单因素分析筛选出适宜的提取温度。有研究表明，适当地提高温度会降低低共熔溶剂的黏度，从而增加溶剂的溶解度[39]。张锦钰[40]在60～90 ℃之间对淮山多糖进行提取，发现随着温度的升高多糖的得率增大。何瑞阳等[41]对玉竹多糖的提取工艺进行优化，通过单因素试验发现，多糖的提取率随着温度的升高不断增大，但当提取温度超过90 ℃以后多糖提取率出现了下降的趋势，可能是高温影响了低共熔溶剂的黏度，或者使多糖降解等。

6.2 溶剂类型

低共熔溶剂的组成对多糖提取率会造成影响。谢苗等[42]在5种不同组合的溶剂中筛选出对灵芝多糖提取率最高的低共熔组合，为氯化胆碱-尿素摩尔比为1∶2，并测定了其DPPH自由基清除率提高了20.50%。分别以不同有机酸、醇和尿素与氯化胆碱混合，组成9种不同的DESs溶剂提取螺旋藻中的多糖，试验发现氯化胆碱和1,4-丁二醇（摩尔比为1∶4）组成的溶剂提取多糖效果最佳[43]。

6.3 提取工艺

单单使用低共熔溶剂对有效成分进行提取的效果会优于传统热水提取，但是提取率还是有部分不完全，因此对提取工艺进行优化使多糖提取更完全，有研究应用超声、微波辅助等方法结合低共熔溶剂，得到的多糖含量确实会高于仅使用低共熔溶剂提取。孙悦[44]采用微波辅助低共熔溶剂对鹰嘴豆中的多糖进行提取，对微波功率和微波时间进行考察，发现微波时间对多糖提取影响较大。超声是提取工艺上常用的一种辅助手段，孙悦等[45]采用超声辅助低共熔溶剂提取甘草多糖，通过响应面试验，研究了超声功率、超声时间与各试验条件的交互作用，得出了最佳条件：料液比1∶50（g/mL）、温度39 ℃、超声功率250 W、超声时间30 min，此时甘草多糖的提取率为8.31%。

7 结语与展望

低共熔溶剂具有易制备、无毒、生物相容性高、提取率高和经济效益高等优点，广泛应用于有效成分提取分离、油品的精制等领域。低共熔溶剂在提取多糖方面的研究越来越深入，证实其可以提高多糖的提取率，且所提取的多糖DPPH自由基清除率显著提高，为多糖的提取方法提供选择。但目前低共熔溶剂还处于发展阶段，其种类和应用范围具有局限性，且DES会出现高黏度和糊状稠度[46]的情况，导致提取效率下降。因此，需要对低共熔溶剂进一步深入研究，拓宽其应用领域。